WO2009000604A1

WO2009000604A1 - Magnetsensoranordnung für definierte kraftübertragung

Info

Publication number: WO2009000604A1
Application number: PCT/EP2008/056420
Authority: WO
Inventors: Lutz May; Johannes Giessibl; Bastian Steinacher
Original assignee: Nctengineering Gmbh
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2008-12-31
Also published as: US20090001973A1

Abstract

Magnetsensoranordnung mit einem eine Außenfläche aufweisenden inneren Element, einem eine Innenfläche aufweisenden äußeren Element, einer Verbindungsvorrichtung, und einer Magnetfeldmessvorrichtung, wobei wenigstens ein Element des inneren und des äußeren Elementes einen magnetisierbaren Bereich aufweist, die Magnetfeldmessvorrichtung ausgelegt ist eine Änderung eines von dem magnetisierten magnetisierbaren Bereich hervorgerufenen Magnetfeldes zu messen, und die Verbindungsvorrichtung die Innenfläche des äußeren Elementes und die Außenfläche des inneren Elementes derart kraftschlüssig miteinander verbindet, dass eine auf die Magnetsensoranordnung wirkende Kraft definiert zwischen dem äußeren Element und dem inneren Element übertragbar ist, sodass eine definierte Kraftübertragung von einem Bauteil auf einen beispielsweise als Kraftmesser dienenden Magnetsensor erfolgen kann.

Description

Magnetsensoranordnung für definierte Kraftübertragung

Verwandte Anmeldungen

Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der US Provisional

Patentanmeldung Nr. 60/946,798, eingereicht am 28. Juni 2007 und der europäischen Patentanmeldung Nr. 07 012 720.4, eingereicht am 28. Juni 2007, auf deren Inhalte hier Bezug genommen wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere eine Magnetsensoranordnung, die eine definierte Übertragung einer auf die Magnetsensoranordnung wirkenden Kraft zwischen einem äußeren Element und einem inneren Element erlaubt.

Hintergrund der Erfindung

Magnetsensoren können beispielsweise verwendet werden, um eine durch

Kraftwirkung erfolgte Verformung zu ermitteln. Zu diesem Zweck wird ein Element mit einem magnetisierbaren Bereich versehen, der beispielsweise durch eine äußere Magnetfelderzeugung magnetisiert werden kann. Wenn beispielsweise zwei magnetisierte Bereiche unterschiedlicher Polarität nebeneinander oder übereinander liegen, so kann von außen das resultierende Magnetfeld gemessen werden. Sind die beiden Magnetfelder gleich groß am Messpunkt, so heben sich die Magnetfelder vollständig auf. Durch eine Verformung können sich die beiden magnetisierten Bereich gegeneinander verschieben, sodass sich beispielsweise in dem Messpunkt die Felder nicht mehr aufheben und so bereits geringste Verformungen auch quantitativ ermittelt werden können. Derartige Magnetsensoren sind beispielsweise bekannt aus WO 2005/064302. Eine Verspannung der Sensoranordnung kann jedoch zu einer Verformung des Sensors führen, die nicht mehr mit der auf die Sensoranordnung wirkenden Kraft korrespondiert. Die Folge kann ein unlineares Verhalten eines Sensors, bzw. ein nicht mehr vorhersagbares Verhalten des Sensors sein, was den Sensor weitgehend unbrauchbar machen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Es kann als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, eine Undefinierte Kraftübertragung zwischen zwei Elementen zu verhindern und eine Magnetsensoranordnung bereitzustellen, die eine verbesserte Signalqualität eines zu messenden Messsignals aufweist.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine

Magnetsensoranordnung bereitgestellt mit einem eine Außenfläche aufweisenden inneren Element, einem eine Innenfläche aufweisenden äußeren Element, einer Verbindungsvorrichtung, und einer Magnetfeldmessvorrichtung, wobei wenigstens ein Element des inneren und des äußeren Elementes einen magnetisierbaren Bereich aufweist, wobei die Magnetfeldmessvorrichtung ausgelegt ist eine Änderung eines von dem magnetisierten magnetisierbaren Bereich hervorgerufenen Magnetfeldes zu messen, und wobei die Verbindungsvorrichtung die Innenfläche des äußeren Elementes und die Außenfläche des inneren Elementes derart kraftschlüssig miteinander verbindet, dass eine auf die Magnetsensoranordnung wirkende Kraft definiert zwischen dem äußeren Element und dem inneren Element übertragbar ist.

Durch eine derartige Anordnung kann eine Undefinierte Kraftübertragung oder auch Undefinierte Kraft und Spannungsverläufe vermieden werden, die zwischen einem inneren Element und einem äußeren Element auftreten können, wenn diese beispielsweise durch eine Presspassung miteinander verbunden sind. Die Magnetsensoranordnung kann beispielsweise aus einem Magnetsensor und einem Bauteil bestehen, wobei die auf das Bauteil wirkende Kraft so definiert auf den Magnetsensor übertragen wird, dass dessen Verformung korrespondierend zu der auf die Magnetsensoranordnung wirkende Kraft erfolgen kann, und zwar im Wesentlichen ohne störenden Einfluss von Undefinierten Vorspannungskräften, die beispielsweise aufgrund einer Presspassung von Sensor und Bauteil in der Regel auftreten. Da die oben im Stand der Technik beschriebenen und durch die Anmelderin Firma NCTE hergestellten Sensoren höchste Empfindlichkeiten aufweisen, die es erlauben aufgrund dieser Technik auch kleinste Kraftwirkungen zu messen, können bereits kleinste Unregelmäßigkeiten bei der Fertigung von Passungen in Bereichen von wenigen Mikrometern oder sogar darunter zu einer nicht mehr reproduzierbaren Kräfteverteilung führen, die eine genaue und empfindliche Messung unmöglich machen können. Durch eine definierte Kraftübertragung kann die Kraftübertragung wieder reproduzierbar gemacht werden, sodass auch Magnetsensoranordnungen mit in eine Bauteil eingepressten Magnetsensoren eine exakte Messung ermöglichen.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die auf die Magnetsensoranordnung wirkende Kraft über diskrete Linienflächen oder Punktflächen zwischen dem äußeren Element und dem inneren Element übertragbar.

Auf diese Weise erfolg die Kraftwirkung zwischen innerem und äußerem Element nicht mehr über eine gesamte Umfangsfläche mit der Folge einer Verspannung aufgrund von auf der Umfangsfläche vorhandenen Unregelmäßigkeiten, sondern über definierte Linien oder Punktflächen. Linienflächen bzw. Punktflächen sind dabei Flächen, die entlang einer geraden oder auch gebogenen Linie bzw. um einen Punkt verlaufen und dabei eine gewisse Breite aufweisen, die jedoch im Vergleich zur gesamten Umfangsfläche kleiner oder auch viel kleiner sind. Dadurch kann der Bereich neben den Linienflächen oder Punktflächen von einer Krafteinwirkung frei gehalten werden. Mit anderen Worten erfolgt die Kraftwirkung zwischen einem inneren und einem äußeren Element über vorher bekannte und damit auch kalkulierbare Verbindungsflächen, wobei Unebenheiten dazwischen keine unerwünschte Kraftwirkung mehr ausüben können.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Verbindungsvorrichtung wenigstens ein lang gestrecktes Element, dessen

Erstreckungsrichtung eine Richtungskomponente aufweist, die sich in eine Richtung parallel zu einer Ebene erstreckt, in der die auf die Magnetsensoranordnung wirkende Kraft wirkt.

Eine derartige Anordnung nimmt insbesondere die Kräfte in einer Richtung auf, die einer gewünschten Kraftmessrichtung entsprechen.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist das innere Element und das äußere Element eine übereinstimmende Längserstreckungsrichtung auf, und die Verbindungsvorrichtung umfasst wenigstens ein lang gestrecktes Element, das eine Richtungskomponente aufweist, die in die Längserstreckungsrichtung verläuft.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung verläuft das lang gestreckte Element parallel zu der Längserstreckungsrichtung.

Die Kraftübertragung zwischen dem inneren und dem äußeren Element erfolgt dann ausschließlich über die lang gestreckten Elemente, die die Verbindung zwischen dem inneren und äußeren Element darstellt. Andere Kräfte, die zwar wirken, aber nicht unbedingt gemessen werden sollen, können damit zumindest teilweise eliminiert werden.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das innere Element und das äußere Element in einem Bereich der sie verbindenden Verbindungsvorrichtung im Wesentlichen zylindrisch.

Auf diese Weise können einfach zu fertigende zylindrische Teile verwendet werden. Jedoch sind auch konische Elemente denkbar, die über Verbindungsvorrichtungen miteinander verbunden sind. Die Verwendung kann sich nach dem Einbauort und den zu messenden Größen richten.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das innerer Element und da äußere Element in einem Bereich der sie verbindenden Verbindungsvorrichtung im Wesentlichen kreiszylindrisch.

Kreiszylindrische Elemente lassen sich einfach auf Werkzeugmaschinen mit rotierendem Werkstück herstellen. Jedoch sind auch zylindrische Ausformungen denkbar, die eine ovale, elliptische, dreieckige, quadratische, vieleckige oder freiförmige Grundfläche haben. Diese Form kann sich nach dem Einbauort und den zu messenden Größen richten.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindungsvorrichtung wenigstens teilweise einstückig mit wenigstens einem des inneren Elementes und des äußeren Elementes ausgebildet ist. Es kann beispielsweise ein lang gestrecktes Element in Form eines Steges auf entweder dem inneren Element oder auch dem äußeren Element vorgesehen sein. Die Herstellung solcher Geometrien obliegt dem Fachmann. Es kann beispielsweise ein oder mehrere Stege auf dem inneren Element und ein oder mehrere Stege auf dem äußeren Element vorgesehen sein, sodass eine Mischform zwischen lang gestreckten Elementen vorliegen kann, die zum Teil auf den inneren und zum Teil auf dem äußeren Element vorgesehen sind.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Verbindungsvorrichtung wenigstens zwei lang gestreckte Elemente auft, die in einer gemeinsamen Ebene mit der auf die Magnetsensoranordnung wirkenden Kraft liegen.

Eine derartige Anordnung erlaubt eine gute Kraftübertragung zwischen dem inneren und dem äußeren Element bei einer Kraft, die in dieser Richtung wirkt. Dabei wirkt die Kraft dann auf diese stegförmigen Elemente senkrecht, sodass eine besonders gute Krafteinkopplung gewährleistet ist.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Verbindungsvorrichtung wenigstens vier lang gestreckte Elemente auf, die sich in einem Winkel von im Wesentlichen 90 Grad bezogen auf eine Mittelachse des inneren Elementes zueinander in die Längsrichtung erstrecken.

Durch die gleichmäßige Verteilung erfolgt eine gute Kraftkopplung. Die bei einer Ausrichtung zweier gegenüberliegender lang gestreckter Elemente in Kraftrichtung seitlichen lang gestreckten Elemente erlauben eine stabiler Krafteinkollpung. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die lang gestreckten Elemente in ihrer Längsrichtung Ausnehmungen auf, die eine kraftschlüssige Verbindung der lang gestreckten Elemente wenigstens teilweise unterbrechen.

Auf diese Weise können in Längsrichtung verschiedene Abschnitte ausgebildet werden, die auch getrennt ausgewertet werden können. Dabei können die einzelnen Anschnitte mit separaten magnetisierbaren Bereichen und auch separaten Magnetfeldmessvorrichtungen versehn sein. Dies erlaubt eine Differenzierung zwischen Druck- und Zugkräften, wie sie beispielsweise bei Biegemomenten auftreten. Insbesondere ist eine Biegekraft von einer axial wirkenden Kraft unterscheidbar.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Verbindungsvorrichtung wenigstens zwei im Wesentlichen punktförmige

Verbindungen auf, die auf einer gedachten graden Linie in Längsrichtung angeordnet sind.

Neben Linienflächen können auch Punktflächen zur Verbindung des ersten und des zweiten Elementes dienen. Auf diese Weise kann auch eine Matrix erstellt werden, über die die Kraft zwischen dem inneren und dem äußeren Element wirkt. Eine derartige Matrix kann beispielsweise über ein finite Element Programm in ihrer Kraftwirkung einfach gehandhabt werden.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der magnetisierbare Bereich an dem inneren Element vorgesehen ist. Gemäß einer beispielhaften Ausfiihrungsform der Erfindung ist das innere Element rohrförmig ausgestaltet, wobei die Magnetfeldmessvorrichtung innerhalb des rohrförmigen inneren Elements innerhalb eines Magnetfeldes angeordnet ist.

Mit einer derartigen Anordnung kann ein Magnetsensor in einem als äußeres Element fungierenden Bauteil vorgesehen werden, in das nur beispielsweise eine Bohrung eingebracht werden muss, um das innere, als Magnetsensor fungierende Element aufzunehmen.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der magnetisierbare Bereich an dem äußeren Element vorgesehen.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das äußere Element rohrförmig ausgestaltet, wobei die Magnetfeldmessvorrichtung außerhalb des rohrförmigen äußeren Elements innerhalb eines Magnetfeldes angeordnet ist.

Auf diese Weise können auch Wellen mit einem Magnetsensor versehen werden. Die Welle stellt dann als inneres Element das Bauteil dar, auf das eine Kraft wirkt, während das rohrförmige äußere Element den Magnetsensor darstellt.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eines des inneren Elementes und der äußeren Elementes ein Bauteil, auf dass eine äußere Kraft einwirkt, und das andere des inneren Elementes und der äußeren Elementes das Element, das einen magnetisierten Bereich aufweist.

Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen. Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die Bezugnahme auf die hiernach beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen erläutert und verdeutlicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung einer Magnetsensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines inneren Elementes einer Magnetsensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines inneren Elementes einer

Magnetsensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt verschiedene Querschnittsformen eines ersten Elementes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung einer

Magnetsensoranordnung. Fig. 6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer

Magnetsensoranordnung.

Fig. 7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Magnetsensoranordnung.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines inneren Elementes mit lang gestreckten Elementen einer Verbindungs Vorrichtung.

Fig. 9 zeigt ein segmentiertes, lang gestrecktes Element auf einem inneren

Element gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 10 zeigt punktflächenförmige Elemente einer Verbindungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 11 zeigt Elemente einer Verbindungsvorrichtung, die sich in

Umfangsrichtung des ersten Elementes erstrecken.

Fig. 12 zeigt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, bei der das äußere Element mit der Verbindungsvorrichtung verbunden ist.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei der äußere Element einen magnetisierbaren Bereich aufweist. Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein inneres Element 10 mit einer Außenfläche 11 innerhalb eines äußeren Elementes 20 mit einer Innenfläche 21 angeordnet ist, wobei das innere Element 10 und das äußere Element 20 mit einer Verbindungsvorrichtung 30 derart verbunden ist, dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 erreicht wird. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Elemente der Verbindungsvorrichtung 30 teilweise einstückig mit dem ersten Element 10 ausgebildet, sowie teilweise einstückig mit dem zweiten Element 20 ausgebildet. Selbstverständlich können die Elemente der Verbindungsvorrichtung ausschließlich einstückig mit entweder dem inneren Element 10 als auch mit dem äußeren Element 20 ausgebildet sein. Gemäß einer hier nicht gezeigten Ausführungsform kann die Verbindungsvorrichtung auch als separates Element, beispielsweise als ein Käfig ausgestaltet sein, der eine definierte, kraftschlüssige Verbindung zwischen dem inneren Element 10 und dem äußeren Element 20 bereitstellt. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist der magnetisierbare Bereich 50 nicht im einzelnen dargestellt. Ferner weist die Vorrichtung eine magnetische Messvorrichtung 40 auf, mit der ein magnetisierter magnetisierbarer Bereich 50, 51, 52 gemessen werden kann.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines inneren Elementes 10 mit einer Außenfläche 11 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. In der Wand des hier rohrförmigen ersten Elementes 10 kann ein erster unterer Bereich 51 und ein zweiter Unterbereich 52 vorgesehen sein, wobei der erste Unterbereich, beispielsweise mit einer ersten Polarität magnetisiert sein kann, während der zweite Bereich 52 mit einer zu der ersten Polarität entgegen gesetzten Polarität magnetisiert sein kann. Die magnetische Messvorrichtung 40 kann beispielsweise eine Spulenanordnung sein. Die in Fig. 2 gezeigte Spulenanordnung besteht aus zwei hintereinander geschalteten Spulen, die eine Art Brückenschaltung erlaubt, so dass ein besserer Abgleich bei der Magnetfeldmessung ermöglicht wird. Die beiden übereinander liegenden Schichten 51 und 52 heben sich in ihrer Magnetfeld erzeugenden Wirkung gegeneinander auf, so dass durch die

Magnetfeldmessvorrichtung 40 nur ein vermindertes Magnetfeld oder kein Magnetfeld gemessen werden kann. Wenn das innere Element 11 beispielsweise verformt wird, verschieben sich der erste Bereich 51 und der zweite Bereich 52 des magnetisierbaren Bereiches 50 gegeneinander, so dass das resultierende Magnetfeld sich an dieser Stelle verändert, was durch die Magnetfeldmessvorrichtung 40 messbar ist.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht der in Fig. 2 gezeigten Anordnung. In der in Fig. 3 gezeigten Anordnung sind ebenfalls ein erster Bereich 51 und ein zweiter Bereich 52 eines magnetisierbaren Bereiches 50 vorgesehen. Die

Magnetfeldmessvorrichtung 40 besteht auch in diesem Fall aus zwei hintereinander geschalteten Spulen, die jedoch im Gegensatz zu Fig. 2, in der diese Spulen in Längsrichtung angeordnet sind, in der Fig. 3 in einer tendentialen Richtung angeordnet sind. Aufgrund dieser Tatsache lassen sich durch die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung und die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung unterschiedliche Kraftrichtungen messen, beispielsweise eine Torsionskraft, eine Längskraft, eine Querkraft oder eine Mischung daraus.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zeigt, dass das innere Element 20 und das äußere Element 20 nur an diskreten Punkten durch die Verbindungsvorrichtung 30 kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann eine, beispielsweise bei einer Presspassung auftretende indifferente Verspannung der beiden Elemente 10, 20 gegeneinander vermieden werden, und die Kraft lediglich an diskreten Punkten über die Verbindungsvorrichtung 30 übertragen werden. Auf diese Weise sind die durch die Magnetfeldmessvorrichtung 40 messbaren Signale in weitaus größerem Maße reproduzierbar als bei einer eingepressten Vorrichtung, die über die gesamte Umfangsoberfläche des inneren Elementes und des äußeren Elementes miteinander in Kontakt stehen. Bereits geringste Unebenheiten können eine messbare Verformung hervorrufen, die bei einer großflächigen Kontaktierung und Kraftübertragung nicht mehr reproduzierbar ist.

Fig. 4 zeigt eine Vielzahl von Ausgestaltungen des inneren Elementes 10. Dabei kann das innere Element 10, ebenso wie das äußere Element 20 eine zylindrische Ausgestaltung haben, die beispielsweise in Form eines Kreiszylinders, eines elliptischen Zylinders, eines Dreieckszylinders oder eines quadratischen Zylinders vorliegen kann. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf derartige Querschnittsformen begrenzt, ebenso kann auch eine beliebige Freifläche als Querschnittsform dienen. In der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind auf dem inneren Element 10 lang gestreckte Elemente in Form von Linienflächen 31 vorgesehen, über die die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem inneren Element 10 und dem äußeren Element 20 erreicht wird. Das innere Element 10 und das äußere Element 20 können nach wie vor ineinander verpresst werden, jedoch erfolgt die Kraftübertragung nicht mehr großflächig, sondern lediglich über die, beispielsweise lang gestreckten Elemente in Form eines Linienelementes.

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der keine expliziten Erhöhungen beispielsweise auf dem äußeren Element vorgesehen sind, sondern vielmehr Vertiefungen als Verbindungsvorrichtung 30 vorgesehen sind. Bei einem Verpressen des inneren Elementes 10 und des äußeren Elementes 20 kann beispielsweise eine Materialverformung auftreten, die durch die Ausnehmungen in dem äußeren Element eine Erhöhung des inneren Elementes hervorruft. Auf diese Weise können beispielsweise auch definierte Kraftlinien erzeugt werden, die eine definierte Kraftübertragung zwischen dem inneren Element und dem äußeren Element erlauben.

Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der ein inneres Element 10 mit einem quadratischen oder im Allgemeinen eckigen Querschnitt in ein äußeres Element 20 mit einem im Wesentlichen runden Querschnitt eingepresst ist. Auf diese Weise müssen nicht zwangsweise Erhöhungen ausgebildet werden, vielmehr dienen die Ecken des Quadrates als Verbindungsvorrichtung, die das innere Element 10 mit dem äußeren Element 20 verbindet.

Fig. 7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein im Querschnitt kreuzförmiges inneres Element 10 in ein kreisförmiges äußeres Element 20 eingepresst ist. An dieser Stelle ist es beispielsweise möglich, in den entstehenden Zwischenräumen 60, beispielsweise in die Magnetfeldmessvorrichtung 40 vorzusehen, wobei in dem kreuzförmigen inneren Element 10 der magnetisierbare Bereich 50 vorgesehen sein kann. Selbstverständlich kann der magnetisierbare Bereich 50 auch durch mehrere verschachtelte oder übereinander liegende magnetisierbare Bereiche ersetzt werden, was jedoch in Fig. 7 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist.

Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der lang gestreckte Elemente 31 in Längsrichtung auf dem inneren Element 10 angeordnet sind. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 9, dass die lang gestreckten Elemente 31 auf dem inneren Element 10 durch Ausnehmungen 33 unterbrochen sind, so dass eine

Aufteilung der Bereiche erfolgen kann. Analog kann in den Bereichen der einzelnen Segmente der lang gestreckten Elemente 31 auch separate magnetisierbare Bereiche vorgesehen werden, die jedoch in Fig. 9 nicht im einzelnen gezeigt sind. Analog dazu können selbstverständlich auch entsprechend der verschiedenen magnetisierbaren Bereiche verschiedene Magnetfeldmessvorrichtungen vorgesehen sein, um abschnittsweise separate Messungen vornehmen zu können. Wenn beispielsweise auf das innere Element 10 eine Biegekraft wirkt, so ist die Verformung an einigen Stellen positiv und an anderen Stellen negativ. Bei einer Kraftbelastung in rein orthogonaler Richtung zur Längserstreckungsachse des inneren Elementes wird hingegen die Verformung in allen drei Bereichen gleich sein, so dass eine Biegebelastung von einer axialen Belastung hier in radiale Richtung der Längserstreckungsrichtung des inneren Elementes unterschieden werden kann.

Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der auf dem inneren Element 10 punktflächenförmige Verbindungselemente 35 vorgesehen sein können, so dass auf diese Weise beispielsweise ein Matrix ausgebildet werden kann, die aufgrund ihrer diskreten Punkte beispielsweise durch ein Finite-Elemente Programm ein abgeglichen werden kann.

Fig. 11 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der die lang gestreckten Elemente der Verbindungsvorrichtung 30 nicht in Längsrichtung des inneren Elementes 30 verlaufen, sondern in Umfangsrichtung. Eine derartige Anordnung bietet sich dann an, wenn Kräfte in anderen Richtungen gemessen werden sollen.

Fig. 12 zeigt beispielhafte Ausführungsformen, bei denen die

Verbindungsvorrichtung 30 an dem äußeren Element 20 vorgesehen ist. Dabei könne beispielsweise Punktflächen 35 als Verbindungsvorrichtungselemente vorgesehen sein, jedoch auch lang gestreckte Elemente 31 in Form von Linienflächen, die zur kraftschlüssigen Kontaktierung dienen. Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein magnetisierbarer Bereich 50 in dem äußeren Element 20 vorgesehen ist. Die Magnetfeldmessungsvorrichtung 40 ist in diesem Fall außerhalb des äußeren Elementes vorgesehen. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Anordnungen relevant, bei denen Kräfte auf Wellen gemessen werden sollen. Die Kraftwirkung 70 kann dabei sowohl in axiale Richtung, als auch in radialer Richtung, als auch in Torsionsrichtung erfolgen. Die Erstreckungsrichtung der Verbindungsvorrichtungselemente richtet sich dann nach der gewünschten zu messenden Kraft.

In ein Loch eines Bauteils können dort, wo der Sensor in Form eines Röhrchen eingepasst wird, vier Rillen eingebracht sein, beispielsweise bei 12 Uhr, 3 Uhr, 6 Uhr und 9 Uhr, also in einer Viererteilung. Diese Rillen können nur einige Mikrometer tief sein und verhindern, dass die Kraft sich so unwillkürlich ausbreitet und dann auf irgend eine Stelle im Röhrchen eingreift. Diese Wirkung kann sowohl durch Aufwürfe als auch durch Vertiefungen erreicht werden. Die Aufwürfe stellen

Verbindungsflächen her, an denen das Röhrchen als inneres Element und das Bauteil als äußeres Element verbunden sind. Die Vertiefung in Form von Rillen können bei einer Einpressung ebenfalls Kraftlinien darstellen, die eine definierten Kraftübergang ermöglichen. Damit wird erzwungen, dass die Kräfte tatsächlich über diese Flächen eintreten müssen.

Es ist festegestellt worden, dass wenn das Röhrchen eingepresst wird, dass selbst hundertstel Millimeter für die Lochgröße einen großen Unterschied in der Messung am Magnetsensor ausmacht. Löcher lassen sich wirtschaftlich in einer derartigen Genauigkeit bohren, insbesondere nicht bei großen Stückzahlen, wie sie im

Automobilbau beispielsweise üblich sind. Die Magnetfeldmessvorrichtung kann einer Spulenanordnung, jedoch auch jede andere Anordnung, wie etwa Hallsensoren etc. sein. Je nach dem wie man die Spulen von außen anlegt, können einer Stange Biegekräfte in verschiedene Richtung gemessen werden. Das Röhrchen kann beispielsweise magnetisiert sein durch Pinnings, d.h. magnetisierten Bereichen, die durch Strompulse in unterschiedlicher Höhe und unterschiedliche Stromrichtung erzeugt werden können. Es kann auch ein Draht durch das Röhrchen geführt werden und dann durch einen Stromschuss vom PCME das Röhrchen von innen nach außen magnetisiert werden. Man kann also von außen nach innen und von innen nach außen magnetisieren. Der Draht dient aber nur zum Magnetisieren aber nicht zur Messung. Normalerweise wir die magnetische Codierung von außen vorgenommen, indem man Kontakte entsprechend an das Röhrchen anbringt. Von innen kann man ohne, dass der Draht die Wand berührt, kontaktlos, magnetisieren. Das Röhrchen kann anschließend eingepresst werden in jedes beliebige Material, z.B. Stahl, Aluminium etc. Das Feld, das von außen verloren geht, spielt keine wesentliche Rolle, interessant ist nur das Feld, was von innen wirkt. Jedoch wirken sich Verspannungen im Rohr nachteilig auf da Messergebnis aus. Das einpassen des Röhrchens kann auch durch Raumlassen, und Verfällen mit Füllmasse

Verbindungsvorrichtung erfolgen, die dann aushärtet und dann eine richtige Spannung erzeugt. Eine Schraubeneinklemmung erzeugst unter um ständen neue Verspannungen durch die Schrauben selbst.

Die Ausbildung eines Steges kann an dem Hülse bzw. Röhrchen und in der Bohrung erfolgen. Es muss eine definierte Auflagefläche vorhanden sein. Das kann dadurch geschehen, dass die Hülse diese Form hat oder letztendlich das Loch entsprechend ausgebildet ist. Es ist wichtig, einen definierten Kraftschluss zu erzeugen, um eine Positionierungenauigkeit der Hülse zu vermeiden. Wenn die Hülse außen einen Überstand hätte, dann müsste man sehr genau die Hülse in das Loch einbringen. Man kann bei jeweils 90° homogen die Kreissegmente stehen lassen, je nach dem, wie viel nötig ist. Der Querschnitt kann ein Quader, Rechteck, Dreieck oder Vieleck sein, wobei beim Quadrat/Rechteck die Krafteintrittspunkte in den Ecken sind. Eine Ellipse kann in dem Moment relevant werden, wo man nur begrenzte Materialstärke hat. Eine Bohrung muss dabei nicht unbedingt zylindrisch sein, sie kann auch konisch sein.

Die Verbindung kann auch aus einer Anzahl von Kugeln, beispielsweise vier Kugeln bestehen. Das Signal kann unter Umständen schlechter werden, wenn in Längsrichtung nur verschiedene Punkte vorliegen, weil unter Umständen eine nicht mehr eine so gute Krafteinwirkung vorliegt. Vorspannung an sich stellen dann ein Problem dar, wenn sie nicht mehr homogen sind, so wie es bei einer Presspassung of der Fall ist.

Es sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung neben der Anwendung bei Magnetsensoren auch bei anderen Sensoren angewendet werden kann, insbesondere wenn dadurch beispielsweise Vorspannungen etwa durch

Presspassungen in eine definierte eine Kraftwirkung und -Übertragung überführt werden können.

Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen" weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein" und „eine" mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.

Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.

Claims

Ansprüche

1. Magnetsensoranordnung mit einem eine Außenfläche (11) aufweisenden inneren Element (10); einem eine Innenfläche (21) aufweisenden äußeren Element (20); einer Verbindungsvorrichtung (30); und einer Magnetfeldmessvorrichtung (40); wobei wenigstens ein Element des inneren und des äußeren Elementes einen magnetisierbaren Bereich (50) aufweist; die Magnetfeldmessvorrichtung ausgelegt ist eine Änderung eines von dem magnetisierten magnetisierbaren Bereich (50, 51, 52) hervorgerufenen Magnetfeldes zu messen; und die Verbindungsvorrichtung die Innenfläche (21) des äußeren Elementes (20) und die Außenfläche (11) des inneren Elementes (10) derart kraftschlüssig miteinander verbindet, dass eine auf die Magnetsensoranordnung (40) wirkende Kraft definiert zwischen dem äußeren Element (20) und dem inneren Element (20) übertragbar ist.

2. Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die auf die

Magnetsensoranordnung wirkende Kraft über diskrete Linienflächen (32) oder Punktflächen (35) zwischen dem äußeren Element (20) und dem inneren Element (10) übertragbar ist.

3. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verbindungsvorrichtung wenigstens ein lang gestrecktes Element (31) umfasst, dessen Erstreckungsrichtung eine Richtungskomponente aufweist, die sich in eine Richtung parallel zu einer Ebene erstreckt, in der die auf die Magnetsensoranordnung (1) wirkende Kraft (70) wirkt.

4. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das innere Element (10) und das äußere Element (20) eine übereinstimmende Längserstreckungsrichtung (80) aufweisen, und die Verbindungsvorrichtung (30) wenigstens ein lang gestrecktes Element (31) umfasst, das eine Richtungskomponente aufweist, die in die Längserstreckungsrichtung (80) verläuft.

5. Magnetsensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das lang gestreckte Element (31) parallel zu der Längserstreckungsrichtung (80) verläuft.

6. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das innere Element (10) und das äußere Element (20) in einem Bereich der sie verbindenden Verbindungsvorrichtung (30) im Wesentlichen zylindrisch ist.

7. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das innerer Element (10) und das äußere Element (20) in einem Bereich der sie verbindenden Verbindungsvorrichtung (30) im Wesentlichen kreiszylindrisch ist.

8. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verbindungsvorrichtung (30) wenigstens teilweise einstückig mit wenigstens einem des inneren Elementes (10) und des äußeren Elementes (20) ausgebildet ist.

9. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verbindungsvorrichtung (30) wenigstens zwei lang gestreckte Elemente (31) aufweist, die in einer gemeinsamen Ebene mit der auf die Magnetsensoranordnung (40) wirkenden Kraft (70) liegen.

10. Magnetsensoranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Verbindungs Vorrichtung (30) wenigstens vier lang gestreckte Elemente (31) aufweist, die sich in einem Winkel von im Wesentlichen 90 Grad bezogen auf eine Mittelachse des inneren Elementes (10) zueinander in die Längsrichtung (80) erstrecken.

11. Magnetsensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die lang gestreckten Elemente (31) in ihrer Längsrichtung (80) Ausnehmungen (33) aufweisen, die eine kraftschlüssige Verbindung der lang gestreckten Elemente (31) wenigstens teilweise unterbrechen.

12. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verbindungsvorrichtung (30) wenigstens zwei im Wesentlichen punktförmige Verbindungen (35) aufweist, die auf einer gedachten graden Linie in Längsrichtung (80) angeordnet sind.

13. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der magnetisierbare Bereich (50) einen mit einer ersten Polarität magnetisierten ringförmigen ersten Unterbereich (51) und einen dazu konzentrischen, mit einer der ersten Polarität entgegen gesetzten Polarität magnetisierten ringförmigen zweiten Unterbereich (52) aufweist.

14. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der magnetisierbare Bereich (50) an dem inneren Element (10) vorgesehen ist.

15. Magnetsensoranordnung nach Anspruch 14, wobei das innere Element (10) rohrförmig ausgestaltet ist, wobei die Magnetfeldmessvorrichtung (40) innerhalb des rohrförmigen inneren Elements (10) innerhalb eines Magnetfeldes angeordnet ist.

16. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der magnetisierbare Bereich (50) an dem äußeren Element (20) vorgesehen ist.

17. Magnetsensoranordnung nach Anspruch 16, wobei das äußere Element (20) rohrförmig ausgestaltet ist, wobei die Magnetfeldmessvorrichtung (40) außerhalb des rohrförmigen äußeren Elements (20) innerhalb eines Magnetfeldes angeordnet ist.

18. Magnetsensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eines des inneren Elementes (10) und der äußeren Elementes (20) ein Bauteil (90) ist, auf dass eine äußere Kraft (70) einwirkt, und das andere des inneren Elementes (10) und der äußeren Elementes (20) das Element ist, das einen magnetisierten Bereich (50) aufweist.